高強(qiáng)度超高強(qiáng)度錨桿支護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

高強(qiáng)度超高強(qiáng)度錨桿支護(hù)系統(tǒng)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

高強(qiáng)度、高強(qiáng)度營(yíng)銷系統(tǒng)在提高道路維護(hù)效果、確保道路安全、簡(jiǎn)化開(kāi)采和開(kāi)采段頭維修技術(shù)等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。有利于采礦區(qū)的快速發(fā)展，充分發(fā)揮礦山的高產(chǎn)、穩(wěn)產(chǎn)。目前,高強(qiáng)度錨桿支護(hù)技術(shù)已在國(guó)內(nèi)外得到普遍應(yīng)用,取得了巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。然而我國(guó)現(xiàn)用金屬錨桿結(jié)構(gòu)普遍不合理,導(dǎo)致錨桿支護(hù)巷道存在安全隱患和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。主要表現(xiàn)在如下兩個(gè)方面:第一,錨桿整體延伸量小,不能很好適應(yīng)圍巖的變形,經(jīng)常發(fā)生尾部斷裂失效;第二,錨桿材料的有效利用率低,浪費(fèi)了大量的金屬材料。因此,如何合理設(shè)計(jì)錨桿結(jié)構(gòu),使其具有良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能,是煤礦巷道支護(hù)中急需解決的重大生產(chǎn)技術(shù)難題。一、錨桿抗拉受力分析目前我國(guó)使用的金屬錨桿一般都用螺紋鋼鋼筋加工而成:首先將符合設(shè)計(jì)要求的螺紋鋼鋼筋按錨桿長(zhǎng)度需要截割成設(shè)計(jì)長(zhǎng)度,再將鋼筋一端(長(zhǎng)度100mm)切削成圓,最后在切削成圓的錨尾上滾壓螺紋制造出錨桿。這樣加工后錨桿尾部部分的螺紋外經(jīng)與桿體的公稱直徑相等,但是內(nèi)徑比桿體公稱直徑小11%～13%(見(jiàn)表1),截面面積小20～22%(見(jiàn)表2)。由于錨桿的極限載荷取決于整根桿體中最薄弱部分的承載能力,所以這種普通螺紋鋼鋼筋錨桿的材料(強(qiáng)度)浪費(fèi)超過(guò)20%;同時(shí),由于錨桿尾部破斷載荷較小,在尾部發(fā)生破斷時(shí)往往達(dá)不到螺紋鋼鋼筋的屈服載荷,錨桿桿體部分不能產(chǎn)生延伸,降低了錨桿的整體延伸率,這樣不能有效地適應(yīng)和控制圍巖變形,給巷道支護(hù)安全帶來(lái)隱患。為了解決這一問(wèn)題,人們積極發(fā)展等強(qiáng)錨桿,即使錨尾極限承載力等于錨桿桿體部分的極限承載力。主要有兩種方法,一種方法是應(yīng)用精軋右旋螺紋鋼鋼筋錨桿,配合特制螺母制成等強(qiáng)錨桿,它不需要象普通螺紋鋼鋼筋錨桿那樣專門加工錨尾,保證了錨桿整個(gè)長(zhǎng)度上強(qiáng)度的一致,但因存在錨桿右旋螺紋不利于攪拌樹(shù)脂錨固劑、螺紋升角過(guò)大螺母不易擰緊,且容易松動(dòng)以及成本高等缺陷,沒(méi)有被廣泛推廣應(yīng)用;另一種方法是將普通螺紋鋼鋼筋錨桿尾部螺紋部分進(jìn)行熱處理,使錨尾部分的抗拉強(qiáng)度大于桿體部分,但是,由于這種方法引起錨尾脆性加大,在井下實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中卻更容易破斷。二、采用密閉式錨桿兩端結(jié)構(gòu)新型金屬粗尾錨桿(專利號(hào):ZL99216921.6)是由左旋螺紋鋼鋼筋經(jīng)過(guò)特殊加工而成的,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。這種錨桿尾部螺紋直徑大于錨桿桿體公稱直徑3～4mm,保證當(dāng)錨桿達(dá)到屈服極限時(shí)錨桿尾部螺紋部分不破壞,使桿體的強(qiáng)度和延伸率都得到了充分發(fā)揮。實(shí)驗(yàn)室常規(guī)拉伸試驗(yàn)和原煤炭部錨桿檢測(cè)中心錨桿成型產(chǎn)品性能檢測(cè)試驗(yàn)結(jié)果(見(jiàn)表3)表明,粗尾錨桿的力學(xué)性能普遍優(yōu)于其它各類錨桿,具體表現(xiàn)在:1.粗尾錨桿屈服極限與破斷載荷我國(guó)目前金屬錨桿最常用的規(guī)格是公稱直徑20mm的桿體,當(dāng)桿體材料為A3圓鋼時(shí),粗尾錨桿的屈服極限與破斷載荷分別較普通錨桿提高56%和61%;當(dāng)錨桿材料為20MnSi螺紋鋼時(shí),粗尾錨桿的屈服極限與破斷載荷比普通錨桿高13%和24%。2.力狀態(tài)下錨桿兩端延伸率得到改善因桿體與桿尾為同一材質(zhì),因此在受復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)情況下,其內(nèi)在晶質(zhì)結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生任何突變,且因錨桿尾部破斷載荷大大高于桿體的屈服極限,因此其延伸率得到明顯改善。3.同樣，錨尾很難首先破裂錨桿整個(gè)自由段的延伸率都能充分發(fā)揮,克服了普通錨桿尾部破斷載荷過(guò)低,在錨桿桿體發(fā)生屈服前就斷裂的缺陷。4.經(jīng)濟(jì)的優(yōu)越性金屬粗尾錨桿除具有優(yōu)良的可延伸防破斷性能外,在相同破斷力條件下,比普通金屬錨桿節(jié)約成本20%以上。三、硬臂金屬噴霧劑和設(shè)備金屬粗尾錨桿成型工藝流程如圖2所示。金屬粗尾錨桿成型設(shè)備主要包括:錨桿鋼筋桿體輸送機(jī)、中頻加熱系統(tǒng)、錨尾墩粗系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)等。1.桿體停留時(shí)間時(shí)間它是用來(lái)陸續(xù)把螺紋鋼桿體送進(jìn)加熱裝置的設(shè)備。為了達(dá)到良好的加熱效果,桿體在中頻加熱裝置中應(yīng)該停留一定時(shí)間。因此設(shè)計(jì)用鏈傳動(dòng),鏈條在氣缸的驅(qū)動(dòng)下帶動(dòng)鋼筋桿間歇運(yùn)動(dòng)通過(guò)加熱裝置。2.可控硅中小型電源裝置中頻加熱系統(tǒng)所使用的是可控硅中頻電源裝置,功率為100kW,頻率為2.5kHz。它是一種把三相工頻電源轉(zhuǎn)換為單相中頻電源的晶閘管靜止變頻裝置?？煽毓柚蓄l電源裝置的控制電路部分采用數(shù)字集成電路,它同分立元器件電路及單片機(jī)電路相比具有線路簡(jiǎn)單、先進(jìn)、抗干擾能力強(qiáng)、運(yùn)行穩(wěn)定、調(diào)試維修方便等特點(diǎn)?？煽毓柚蓄l電源裝置具有在滿負(fù)荷狀態(tài)下頻繁啟動(dòng)功能,啟動(dòng)成功率100%。3.錨尾墩粗裝置錨尾墩粗是金屬粗尾錨桿生產(chǎn)制作流程中的中心環(huán)節(jié),這一過(guò)程是在錨尾墩粗裝置中完成的。錨尾墩粗裝置是立式結(jié)構(gòu)。主要包括夾緊裝置和擠壓裝置。通過(guò)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)油泵,將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能,為錨尾墩粗工作提供動(dòng)力。液壓系統(tǒng)在PLC控制下協(xié)同完成錨尾墩粗的動(dòng)作。4.粗尾錨桿生產(chǎn)線控制系統(tǒng)主要用于控制成型設(shè)備的動(dòng)作。成型設(shè)備的動(dòng)作采用手動(dòng)/自動(dòng)兩套系統(tǒng)控制,其中自動(dòng)系統(tǒng)的核心是采用了一個(gè)由國(guó)外進(jìn)口的PLC,使其操作更精確。滾絲加工是現(xiàn)在比較成熟的工藝,粗尾錨桿成型的最后一道工序是用滾絲機(jī)滾壓錨桿尾部的螺紋,再配上標(biāo)準(zhǔn)螺母即完成了金屬粗尾錨桿的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程。第一套金屬粗尾錨桿生產(chǎn)線于2003年11月在平煤集團(tuán)調(diào)試成功,其小時(shí)生產(chǎn)能力為150根錨桿。在相同承載能力的條件下,每根金屬粗尾錨桿的綜合成本比普通金屬錨桿減少15%左右,取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。四、金屬粗尾錨桿我國(guó)現(xiàn)用金屬錨桿結(jié)構(gòu)普遍不合理,導(dǎo)致錨桿支護(hù)巷道存在安全隱患和經(jīng)濟(jì)上的浪費(fèi)。新型金屬